基于天線共享孔徑的研究

李志勇 韓文婷

摘 要：隨著當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展，各種平臺(tái)的電子設(shè)備日益增多，帶來了空間、時(shí)間、能量等資源的緊張。因此，把不同種類、不同功能的電子設(shè)備進(jìn)行一定的結(jié)合，構(gòu)成一體化的資源系統(tǒng)已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的必然。雷達(dá)和通信是當(dāng)今不少平臺(tái)都必須具有的功能，因此對(duì)其都需要用的的天線設(shè)備進(jìn)行共享研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的。本文在閱讀較多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行了總結(jié)并提出了自己一定的看法。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);通信;設(shè)備

0 引言

共享天線孔徑一般是指在寬帶相控陣天線和先進(jìn)波束形成技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的雷達(dá)、通信等任務(wù)需求，通過設(shè)計(jì)、計(jì)算各自所需的波束特征并事先存儲(chǔ)起來;在實(shí)際的任務(wù)執(zhí)行過程中，通過波束捷變等方式，對(duì)同一個(gè)天線孔徑進(jìn)行復(fù)用。當(dāng)前對(duì)天線共享孔徑的研究主要分為兩個(gè)方面。一種是對(duì)天線共享孔徑任務(wù)調(diào)度的研究，另一種為天線孔徑的共享分析與優(yōu)化。相控陣天線的出現(xiàn)以及大量應(yīng)用給共享孔徑任務(wù)調(diào)度的研究帶來了實(shí)現(xiàn)的可能性。對(duì)于相控陣天線，發(fā)射和接收都是可以由相互獨(dú)立的射頻單元負(fù)責(zé)，個(gè)別射頻單元的失效并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能帶來較多影響，而且相控陣天線的掃描速度快，波束方向靈活可控。在相控陣天線的這種特點(diǎn)下，它的每個(gè)天線陣元的功能可以隨時(shí)進(jìn)行切換，因此天線孔徑可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割，這就使得天線可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換同時(shí)執(zhí)行多種任務(wù)。稀疏布陣和子陣交錯(cuò)技術(shù)的出現(xiàn)使共享天線孔徑有了新的解決方案，即可進(jìn)行天線孔徑的共享分析和優(yōu)化。所謂稀疏陣列是指為了達(dá)到一定的功能效果，采用部分的陣元就可以在主要的性能指標(biāo)上達(dá)到原來滿陣列的效果。這樣一方面節(jié)省了陣列資源，另一方面如果對(duì)稀疏掉的陣元應(yīng)用于通信等其它的功能就實(shí)現(xiàn)了同一陣列天線的合理劃分與嵌套，且可以同時(shí)形成兩種以上的波束。子陣交錯(cuò)技術(shù)則是在稀疏陣列的基礎(chǔ)上，將兩個(gè)以上的陣列交錯(cuò)放置，這樣使得不同功能的天線陣列可以交錯(cuò)使用同一孔徑。

1、當(dāng)前研究現(xiàn)狀

對(duì)于有源相控陣天線，相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，當(dāng)小于10%的射頻單元失效時(shí)，對(duì)系統(tǒng)沒有明顯的影響，無需進(jìn)行停機(jī)檢查維修;即使有30%的單元不能正常工作時(shí)，系統(tǒng)的增益約降低3db，仍可以繼續(xù)工作[1]。這一突出特點(diǎn)表明共享相控陣天線的實(shí)現(xiàn)可能性大大提高。2005年開始，美國的雷聲公司、L3公司就在有源相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了通信數(shù)據(jù)鏈的研究工作，利用AN-APG79雷達(dá)（裝備在F-22型戰(zhàn)斗機(jī)）加裝通信調(diào)制設(shè)備的形式實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳遞。2007年，洛克希德.馬丁公司、格魯曼公司和L-3通信公司在有源相控陣?yán)走_(dá)的寬帶通信實(shí)驗(yàn)中，利用AN-APG81雷達(dá)（裝備在F-35型戰(zhàn)斗機(jī)）共同合作完成了有源相控陣?yán)走_(dá)與地面通用數(shù)據(jù)鏈的調(diào)制仿真器之間進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)也證明了雷達(dá)數(shù)據(jù)鏈具有通信所需要的短距離、大帶寬和高速率的能力[2]。美國海軍實(shí)驗(yàn)室于1996年啟動(dòng)的先進(jìn)多功能射頻概念（AMRFC）計(jì)劃，根據(jù)不同的任務(wù)類型對(duì)天線孔徑進(jìn)行了分割，達(dá)到了天線同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能的目的[3]。進(jìn)一步說，利用相控陣天線可以形成多波束的特點(diǎn)，結(jié)合雷達(dá)、通信設(shè)備執(zhí)行任務(wù)時(shí)的要求，對(duì)天線孔徑進(jìn)行共享使用，經(jīng)過一定的計(jì)算和權(quán)衡后可同時(shí)形成獨(dú)立的多個(gè)波束，每個(gè)波束進(jìn)行自己獨(dú)自的任務(wù)，從而達(dá)到雷達(dá)、通信等多種任務(wù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。美國海軍AMRFC實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了共享孔徑多頻段天線，它由四個(gè)電子掃描子陣列組成，它可以在不同威力范圍內(nèi)的三個(gè)頻段上工作[4]。

不管是有源還是無源的相控陣天線，為了充分利用孔徑資源，當(dāng)需要執(zhí)行任務(wù)的類型和數(shù)量較多時(shí)，天線的孔徑資源就沒有辦法隨意分割使用。此時(shí)需要對(duì)天線任務(wù)進(jìn)行合理的劃分、管理與調(diào)度。其中，胡衛(wèi)東等人對(duì)相控陣天線陣列中的資源調(diào)度、實(shí)時(shí)任務(wù)分配、計(jì)算負(fù)載管理等比較關(guān)鍵的問題作了較為全面的總結(jié)[5]。但是，他們的研究主要集中在了單個(gè)孔徑下的分時(shí)調(diào)度問題上。天線孔徑動(dòng)態(tài)分割條件下的任務(wù)調(diào)度問題成果較少，僅在少數(shù)文獻(xiàn)中提及[6，7]。由于每個(gè)子孔徑根據(jù)不同的需要可能會(huì)執(zhí)行不同的任務(wù)，而且每種任務(wù)需要占用的孔徑數(shù)量也不盡相同。因此文獻(xiàn)[7]提出動(dòng)態(tài)分配天線資源可以先根據(jù)孔徑面積百分比進(jìn)行劃分，之后再根據(jù)具體的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配孔徑面積，這樣不管是否相鄰的子孔徑之間都可以直接組合起來執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)，初步實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度。葛悅禾分析了天線可以同時(shí)在兩個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行工作并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)[8];空軍工程大學(xué)李龍軍等人的相關(guān)研究[9，10]指出，對(duì)寬帶陣列天線進(jìn)行共享孔徑的多子陣交錯(cuò)的設(shè)計(jì)優(yōu)化后，能達(dá)到對(duì)不同子陣的旁瓣峰值進(jìn)行有效的抑制的能力;郭華以兩個(gè)子陣列方向圖的最高旁瓣電平作為優(yōu)化的目標(biāo)，對(duì)雙頻共享孔徑陣列天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)[11];石長安等指出，在對(duì)共享天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要達(dá)到雷達(dá)天線的主瓣波束較窄、最大旁瓣增益要小，通信的互干擾要小[12]。

2、主要研究工作

一般的陣列天線分為線性陣列、平面陣列（矩形網(wǎng)格陣列、圓周邊界矩形網(wǎng)格、圓周邊界六邊形網(wǎng)格、圓周網(wǎng)格、同心圓周網(wǎng)格）等。而線性陣列是平面陣列的基礎(chǔ)，因此大多數(shù)相關(guān)工作都是圍繞著線性陣列展開。評(píng)價(jià)線性陣列的指標(biāo)通常是看它的方向圖性能和最大旁瓣電平或者最大相對(duì)旁瓣電平。對(duì)于一般的線性陣列，設(shè)各陣元幅度激勵(lì)相同則兩個(gè)子陣的方向圖分別表示為：

針對(duì)線性陣列的優(yōu)化，以 Coman C.I 和 Simeoni M 為代表的研究小組，利用循環(huán)差集及其“補(bǔ)集”的方法實(shí)現(xiàn)了多子陣的稀疏交錯(cuò)布陣[13]，但差集的參數(shù)會(huì)限制到陣列的結(jié)構(gòu)，而且這樣設(shè)計(jì)的陣列往往不是最優(yōu)解[14]，子陣存在較高的旁瓣電平。因此胡繼寬等人提出了一種將差集與遺傳算法相結(jié)合來對(duì)陣列進(jìn)行優(yōu)化的方法[15]。首先利用差集理論確定各個(gè)陣元的位置，然后在以陣元的幅度激勵(lì)為變量，把旁瓣電平作為優(yōu)化指標(biāo)，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。利用該方法得到的方向圖子陣旁瓣電平較低，共享孔徑交錯(cuò)陣列的整體性能得到一定的提升。但是該方法中的遺傳算法計(jì)算復(fù)雜度較高，會(huì)占用較大的資源，而且分步優(yōu)化的方法比較復(fù)雜。如果陣元的激勵(lì)改變也會(huì)增加陣元饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。李龍軍等人利用天線單元激勵(lì)與方向圖之間存在傅里葉關(guān)系提出了一種不同工作頻率下多子陣交錯(cuò)的陣列天線優(yōu)化方法[9]。首先將陣列天線的不同工作頻率差異轉(zhuǎn)換為不同的單元激勵(lì)，利用密度加權(quán)的原理確定不同工作頻率下各個(gè)子陣單元的位置，使各個(gè)子陣的方向圖與交錯(cuò)稀疏子陣的方向圖近似一致。在此基礎(chǔ)上李龍軍等人又提出了改進(jìn)方法[10]，通過傅里葉逆變換第一次確定子陣方向圖的時(shí)候?qū)⑴园觌娖饺藶樵O(shè)置為約束旁瓣值，之后進(jìn)行傅里葉變換，將陣元激勵(lì)大小排序后采取奇偶交錯(cuò)方法選取陣元位置，而后將子陣1的激勵(lì)設(shè)置1，完成一次優(yōu)化。之后不斷迭代直到找到該方法下的最優(yōu)值。該方法與遺傳算法相比具有更低的旁瓣電平，而且計(jì)算量相對(duì)來說較少，計(jì)算速度更快。但是該方法得到的方向圖的旁瓣電平也相對(duì)較高，還可以進(jìn)一步優(yōu)化。劉新星[16]等人提出了一種基于模擬退火算法的共享孔徑多子陣交錯(cuò)分布方法，該方法以工作頻率的不同作為約束條件，以天線陣列的柵格間距和陣元位置為優(yōu)化變量，兩個(gè)子陣的峰值旁瓣電平為目標(biāo)函數(shù)。首先，對(duì)陣元柵格間距設(shè)置一個(gè)最小和最大間距并以此為約束來確定陣元位置的分布，然后利用模擬退火算法對(duì)陣元柵格和陣元的位置分布進(jìn)行優(yōu)化，得到目標(biāo)函數(shù)的值并不斷改進(jìn)，最終生成不同頻率、不同指向的兩個(gè)波束。對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真后發(fā)現(xiàn)可以有效降低兩個(gè)子陣的峰值旁瓣電平，且兩個(gè)子陣的方向圖性能相似。但是該算法中柵格權(quán)值的產(chǎn)生會(huì)對(duì)算法的收斂性產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)某個(gè)權(quán)值下的解較差時(shí)，通過調(diào)整陣元位置來優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的效果也會(huì)不太好，并且算法的運(yùn)行速度也會(huì)降低。費(fèi)曉[17]等人提出了一種新的優(yōu)化算法——風(fēng)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。首先把兩個(gè)陣列間相鄰陣元的間距作為約束條件，將兩個(gè)子陣方向圖的最高旁瓣電平作為優(yōu)化目標(biāo)。在此約束條件下，先確定兩個(gè)子陣的陣列單元的初始坐標(biāo)，然后通過風(fēng)驅(qū)動(dòng)算法優(yōu)化兩個(gè)子陣的單元坐標(biāo)位置以此來降低子陣的旁瓣電平。該方法可以靈活控制方向圖的指向，子陣旁瓣電平也較低。

3、存在的問題和工作展望

不管是哪一種優(yōu)化方法都沒有就子陣間的干擾問題展開敘述，并且對(duì)平面陣的研究較少。對(duì)研究成果的實(shí)際化和裝備化也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。而且面對(duì)復(fù)雜任務(wù)當(dāng)前的優(yōu)化算法表現(xiàn)的不夠高效，因此尋找更高效、更適合實(shí)際任務(wù)的調(diào)度方法是下一步的主要工作。

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